第6章基本輸入輸出接口技術(shù).ppt

1、本章主要教學(xué)內(nèi)容 輸入輸出接口技術(shù)的概念和功能 CPU與I/O接口之間傳遞的信息類型及I/O端口的編址方式 CPU與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送方式的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用,第6章 基本輸入/輸出 接口技術(shù),6.1 接口技術(shù)概述 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入和輸出通常是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的信息交換，也稱為通信。在微型計(jì)算機(jī)中，各種外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信是通過接口實(shí)現(xiàn)的。接口部件起著數(shù)據(jù)緩沖、隔離、數(shù)據(jù)格式交換、尋址、同步聯(lián)絡(luò)和定時(shí)控制等作用。 6.1.1 輸入輸出接口的概念與功能 1. 輸入輸出接口的概念 通常，一種外部設(shè)備與微型計(jì)算機(jī)相連接是需要一個(gè)接口電路的，通常稱之為I/O接口。為什么一個(gè)外部設(shè)備與微

2、型計(jì)算機(jī)連接需要一個(gè)接口電路呢?這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的外部設(shè)備種類繁多，具備的功能不同，工作速度上也有較大的差異，因此，計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備與CPU連接時(shí)，必然會帶來一些問題。,歸納起來有以下4個(gè)方面： （1）工作速度的匹配問題 （2）工作時(shí)序的配合問題 （3）信息表示格式上的一致性問題 （4）信息類型與信號電平的匹配問題 為了解決上述問題，就需要在CPU與外部設(shè)備之間連接接口設(shè)備。所謂接口是指CPU和存儲器、外部設(shè)備或者兩種外部設(shè)備之間，或者兩種機(jī)器之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行連接的邏輯部件（或稱電路），它是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。源程序和原始數(shù)據(jù)通過接口從輸入設(shè)備（例如鍵盤）送入，運(yùn)算結(jié)果通過接口

3、向輸出設(shè)備（例如CRT顯示器、打印機(jī)）送出去；控制命令通過接口發(fā)出去（例如步進(jìn)電機(jī)），現(xiàn)場信息通過接口取進(jìn)來（例如溫度值、轉(zhuǎn)速值）。,2. 輸入輸出接口的功能 一般情況下，計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口應(yīng)該具備下述功能： （1）尋址功能 （2）輸入/輸出功能 （3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能 （4）聯(lián)絡(luò)功能 （5）中斷管理功能 （6）接收復(fù)位信號并對接口進(jìn)行初始化 （7）可編程功能 （8）檢測錯(cuò)誤的功能,6.1.2 CPU與I/O接口之間傳遞的信息類型 計(jì)算機(jī)的CPU與一個(gè)輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換時(shí)，通常需要3類信息，即數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息，如圖6-1所示。 1. 數(shù)據(jù)信息 （1）數(shù)字量：數(shù)字量可以是二進(jìn)制

4、形式表示的數(shù)據(jù)，或以ASCII碼表示的數(shù)據(jù)及字符。 （2）模擬量：當(dāng)微型計(jì)算機(jī)用于檢測或過程控制時(shí)，傳感器把現(xiàn)場大量的非電量如溫度、壓力、差壓、流量、物質(zhì)成分等信息轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過放大器放大，然后經(jīng)過采樣器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號才能被計(jì)算機(jī)接收。 （3）開關(guān)量：開關(guān)量是具有兩個(gè)狀態(tài)的量，如開關(guān)的閉合與斷開，閥門的打開與關(guān)閉，電機(jī)的啟動與停止等。,圖6-1 CPU與I/O接口之間傳遞的信息,2. 狀態(tài)信息 狀態(tài)信息通常表示外部設(shè)備或接口部件本身的狀態(tài)，是從接口送往CPU的信息。在輸入時(shí)，通常用準(zhǔn)備就緒（READY）信號來表示待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好；在輸出時(shí)，通常用忙（BUSY）信號來表示

5、輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)。如果為空閑狀態(tài)，則CPU可以執(zhí)行輸出指令，向該外設(shè)傳送數(shù)據(jù)信息，如果處于忙狀態(tài)，則CPU等待。 3. 控制信息 控制信息是CPU通過數(shù)據(jù)總線傳給接口中的控制寄存器的信息。最常見的控制信息主要有使外部設(shè)備啟動或停止的控制信息。 數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息是不同性質(zhì)的信息，應(yīng)分別進(jìn)行傳送。但是，在大部分微型計(jì)算機(jī)中只有通用的輸入指令和輸出指令，因此外部設(shè)備的狀態(tài)、控制信息也被廣義地當(dāng)作一種數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)總線傳送。,6.2 接口部件的IO端口 6.2.1 I/O端口 每個(gè)接口部件都包含一組寄存器I/O端口，相應(yīng)有端口地址。 數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口（命令口） 一個(gè)

6、雙向工作的接口芯片通常有4個(gè)端口：數(shù)據(jù)出、入、狀態(tài)、控制。 只需共用兩個(gè)端口地址號。 圖6.2 外設(shè)通過接口與系統(tǒng)的連接,圖6-2 外設(shè)通過接口與系統(tǒng)的連接,6.2.2 I/O端口的編址方式 接口中的寄存器又叫做I/O端口，每一個(gè)端口有一個(gè)編號，叫做端口號，又叫端口地址。數(shù)據(jù)寄存器就是數(shù)據(jù)端口，用于對來自CPU和外設(shè)的數(shù)據(jù)起緩沖作用。狀態(tài)寄存器就是狀態(tài)端口，用來存放外部設(shè)備或者接口部件本身的狀態(tài)。CPU通過對狀態(tài)端口的訪問和測試，可以知道外部設(shè)備或接口本身的當(dāng)前狀態(tài)?？刂萍拇嫫骶褪强刂贫丝?，用來存放CPU發(fā)出的控制信息，以控制接口和外部設(shè)備的動作。也可以說，CPU與外部設(shè)備之間傳送信息都是通過

7、數(shù)據(jù)總線寫入端口或從端口中讀出的，所以，CPU對外部設(shè)備的尋址，實(shí)質(zhì)上是對I/O端口的尋址。,在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，I/O接口的地址編排大都采用能夠單獨(dú)編址方式，其地址空間獨(dú)立于存儲器，不占用存儲空間，該編址方式下，CPU訪問I/O端口必須采用專用的I/O指令，所以也叫專用I/O指令方式。 獨(dú)立編址方式的主要優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省內(nèi)存空間，由于系統(tǒng)需要的I/O端口寄存器一般比存儲器單元要少得多，故I/O地址線較少，因此I/O端口地址譯碼較簡單，尋址速度較快。其缺點(diǎn)是由于專用I/O指令類型少，遠(yuǎn)不如存儲器訪問指令豐富，使程序設(shè)計(jì)靈活性較差。,6.2.3 I/O端口的地址譯碼電路 6.2.4 數(shù)據(jù)鎖存器與緩

8、沖器,6.3 CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送方式 計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備通常有外存設(shè)備（如磁盤、光盤）、輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)）、輸出設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)）、辦公設(shè)備（如掃描儀、繪圖儀、數(shù)字化儀）、多媒體設(shè)備、通信設(shè)備以及總線設(shè)備等。計(jì)算機(jī)接上某種外部設(shè)備之后，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間就要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。但由于外部設(shè)備與存儲器不同，它們用各自不同的速度在工作，而且它們的工作速度相差很大，有些外部設(shè)備的工作速度極高，有些則很低。因此需要用某種方法調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的定時(shí)，這種方法稱為輸入/輸出控制。 輸入/輸出控制方式通常有四種方式，即程序傳送方式、中斷傳送方式、DMA傳送方式和I/O處理機(jī)方式。其中程序傳送方式又可

9、分為無條件傳送方式和條件傳送方式兩種。,6.3.1 無條件傳送方式 如果程序員能夠確認(rèn)個(gè)外部設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好，則在傳送數(shù)據(jù)之前就不必查詢外設(shè)的狀態(tài)，直接執(zhí)行輸入指令或輸出指令即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。這就是無條件傳送方式，也稱為同步傳送方式，主要用于外設(shè)的定時(shí)是固定的或已知的場合 無條件傳送方式的原理圖可參見圖6-3所示。,圖6-3 無條件傳送方式工作原理,6.3.2 查詢傳送方式 查詢傳送方式也稱為條件傳送方式。采用這種傳送方式時(shí)，微型計(jì)算機(jī)在執(zhí)行個(gè)I/O操作之前，必須先對外部設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行測試。也就是微處理器在執(zhí)行輸入/輸出指令讀取數(shù)據(jù)之前，要通過執(zhí)行程序不斷地讀取并測試外部設(shè)備的狀態(tài)。 查詢傳送

10、方式中，完成一個(gè)數(shù)據(jù)傳送的步驟如下： （1）微處理器用輸入指令從接口中的狀態(tài)端口讀取狀態(tài)字； （2）微處理器測試所讀取的狀態(tài)字的相應(yīng)狀態(tài)位是否滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件，如果不滿足，則回到第（1）步，繼續(xù)讀狀態(tài)字； （3）如果狀態(tài)位表明外部設(shè)備已滿足傳輸數(shù)據(jù)的條件，則進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)的操作。 采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的接口電路工作原理如圖6-4所示。,圖6-4 查詢方式數(shù)據(jù)輸入的接口電路,其工作原理分析如下： 計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，就往接口發(fā)一個(gè)選通信號STB，該選通信號將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)鎖入鎖存器，同時(shí)將接口中的D觸發(fā)器置1，表明鎖存器中有數(shù)據(jù)，它作為狀態(tài)信息，使接口中三態(tài)緩沖器的READY位置

11、1。數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送入微處理器。 根據(jù)查詢方式傳送的三個(gè)步驟，微處理器從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，先讀取狀態(tài)字并檢查狀態(tài)字的相應(yīng)位，查明數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，即數(shù)據(jù)是否已進(jìn)入接口的鎖存器中，如果準(zhǔn)備就緒，則執(zhí)行輸入指令，讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)將狀態(tài)位清零，這樣便開始下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程。,查詢輸入部分的參考程序如下： POLL：MOV DX，STATUS-PORT ；狀態(tài)端口號送DX IN AL，DX ；輸入狀態(tài)信息 TEST AL，80H ；檢查Ready是否為高電平 JE POLL ；如果未準(zhǔn)備好，進(jìn)行循環(huán)檢測 MOV DX，DATA-PORT ；準(zhǔn)備就緒，讀入數(shù)據(jù) IN AL

12、，DX 采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的接口電路工作原理如圖6-5所示。,圖6-5 查詢式數(shù)據(jù)輸出的接口電路,6.3.3 中斷控制方式 在采用查詢方式進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)，CPU要不斷地讀取狀態(tài)信息，檢查輸入設(shè)備是否已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，輸出設(shè)備是否忙碌或輸出緩沖器是否已空。若外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，CPU就必須反復(fù)查詢，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，使CPU的工作效率降低。為了提高CPU的利用效率和進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，CPU常采用中斷方式與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 采用中斷傳送方式可以大大提高工作效率。該方式的工作原理是：,當(dāng)外設(shè)要求交換數(shù)據(jù)（比如打印機(jī)請求一個(gè)打印字符）時(shí)，可向CPU發(fā)出中斷請求，CPU在執(zhí)行完當(dāng)前指令后，即可中斷當(dāng)前

13、任務(wù)的執(zhí)行，并根據(jù)中斷源（即中斷發(fā)出者）是誰，而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理服務(wù)程序，以實(shí)現(xiàn)對請求中斷外設(shè)的管理。為了在中斷處理之后能正確返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行，在轉(zhuǎn)入中斷處理程序時(shí)，CPU應(yīng)保護(hù)好當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場（如標(biāo)志位、其它寄存器等）和斷點(diǎn)。在中斷結(jié)束返回時(shí)，再恢復(fù)現(xiàn)場和斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。,6.3.4 DMA控制方式 DMA（Direct Memory Access）傳送方式又稱為直接存儲器存取方式，實(shí)際上就是在存儲器與外設(shè)間開辟一條高速數(shù)據(jù)通道，使外設(shè)與內(nèi)存之間直接交換數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)通道是通過DMA控制器來實(shí)現(xiàn)的。在DMA傳送期間，不需要CPU的任何干預(yù)，而是由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，在其

14、控制下完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 DMA傳送方式實(shí)際上是把外設(shè)與內(nèi)存交換信息的操作與控制交給了DMA控制器，簡化了CPU對輸入輸出的控制。但這種方式顯然電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件開銷大。,DMA控制方式的傳送過程如圖6-7所示。 下面我們分析如何將內(nèi)存中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送給一個(gè)外設(shè)（例如硬盤）。 首先，應(yīng)由CPU告訴DMA控制器：DMA傳送的數(shù)據(jù)是由內(nèi)存向外設(shè)傳送、數(shù)據(jù)在內(nèi)存的首地址、數(shù)據(jù)塊長度，然后CPU啟動DMA與外設(shè)。此后的傳送完全由DMA控制器來管理，CPU可去干其他工作（但不能訪問系統(tǒng)總線）。,圖6-7 DMA傳送原理示意圖,通常，DMA控制器應(yīng)該具備以下功能： 能向CPU發(fā)出要求控制總線的DMA請求

15、信號DRQ； 當(dāng)收到CPU發(fā)出的HLDA信號后能接管總線進(jìn)入DMA模式； 能發(fā)出地址信息對存儲器尋址并能修改地址指針； 能發(fā)出存儲器和外設(shè)的讀、寫控制信號； 能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束； 能接受外設(shè)的DMA請求信號和向外設(shè)發(fā)DMA響應(yīng)信號； 能發(fā)出DMA結(jié)束信號，使CPU恢復(fù)正常。,6.3.5 I/O處理機(jī)方式 隨著微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)大、外設(shè)的增多以及性能的提高，CPU對外設(shè)的管理服務(wù)任務(wù)不斷加重。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，CPU需要擺脫對I/O設(shè)備的直接管理和頻繁的輸入/輸出業(yè)務(wù)。于是專門用來處理輸入/輸出的I/O處理機(jī)（IOP）應(yīng)運(yùn)而生。例如Intel 8089就是一種專門配合Intel8086而使用的I/O處理芯片。 以Intel 8089為例，IOP在完成任務(wù)時(shí)具備以下手段：（1）擁有自己的指令系統(tǒng)。有些指令專門為I/O操作而設(shè)計(jì)，可以完成外設(shè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)拆卸裝配、碼制轉(zhuǎn)換、校驗(yàn)檢索、出錯(cuò)處理等任務(wù)。也就是說，它可以獨(dú)立執(zhí)行自己的程序。（2）支持DMA傳送。Intel8089內(nèi)有兩條DMA通道。,本章小結(jié),CPU與I/O設(shè)備之間要傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。各種外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信是通過接口實(shí)現(xiàn)的。接口是指CPU和